HAC技术在GSM手机中的应用

　　HAC 是 Hearing Aid Compliance的缩写，用来衡量手机和助听器一起工作的兼容能力。这项指标是为了保证有听力障碍的人也能和普通人一样使用手机。

　　以GSM为代表的无线电话近年来得到了广泛的应用。但HAC的要求在近几年才逐渐浮现。在有些国家已经有了强制性要求，比如美国。中国也有了自己的HAC标准，但不是强制要求。相对于天线和射频电路的设计，HAC的设计难度要高出很多。本文将结合一些批量生产的产品为实例介绍在设计GSM手机时如何有效减小电场和磁场在特定区域的近场辐射从而达到能与助听器一起工作的能力。这里介绍的设计思路和方法也可以用于其它无线终端。

　　基本架构介绍

　　图1是一个简化了的手机结构示意图，天线的位置在手机的下端，与手机的听筒分置于手机的两端。因此，如图1所示，在测试区域的电场和磁场需要降到HAC要求的标准以下。本文要讨论的就是一种能够降低测试区域的电场和磁场辐射的同时，又不降低天线辐射效率的技术。

　　图2 是一个关于这种技术的示意图。在图2中，金属片的长度必须小于印刷电路板1的长度。就是说印刷电路板1的边缘到测试区域必须有足够的空间。这是本项技术的关键点。在图2中，两块印刷线路板，包括上面的金属部件，至少要在连接点1和连接点2同时连接。这种连接能确保天线的谐振点不会改变。

　　在实践中，图2中的金属片有可能根据实际情况有所不同。但其基本工作原理是不会改变的，下面会详细阐述。

　　理论分析

　　下面将结合图1、图2、图3和图4来介绍这种技术的工作原理。图3是一个直板手机的电流分布图，图4是在直板手机上添加了本技术之后的电流分布图。

　　在一般情况下，手机上的电流分布是从天线馈电到电路板的另一端逐渐减弱的(参见图3)。在图3中，电流的大小是变化的， 电流的方向也是变化的。电流强度在电路板的末端减小为零。电流强度降低为零意味着电荷的积累，所以在这里诱导电场起主导作用。同时，这种变化的电场会产生对应的磁场。这样在测试区域会产生相应的电场和磁场变化。由于静磁场和静电场并不能引起场内部的金属器件产生任何电流。所以，在测试区域主要考虑变化的电磁场就足够了。基于上面的分析，如果我们能够把变化的电磁场从测试区域移走，我们就达到了设计目的了。

　　在图2中，印刷电路板被一个槽分成了两部分。这两部分只在连接点1 连接。同时，在印刷电路板1的正上方平行地增加一块金属板。此金属板和电路板2 在连接点2连接在一起。这样就可以强行地将原来在印刷电路板1和2之间流动的电流分为两部分。一部分和原来一样流动。另一部分变成了在金属板和印刷电路板2之间流动。这样在印刷电路板1上的电流总量就下降了。如果我们能够不要让金属板的边缘和印刷电路板1保持一定的距离，那么两个相应的电磁场就不能线性叠加，从而达到有效降低测试区域电磁场的目的。

　　这种技术的基本想法是把一部分的末端感应电荷从它原来的位置移走。由于电磁场是三维辐射的，所以电磁场的下降速度比移动距离的下降速度快很多。积累电荷一点点空间距离上的移动就能在测试区域引起很大幅度的电磁场强度的变化。

　　添加了金属板之后，由于印刷电路板1和金属板之间有很强的耦合，两块印刷电路板和金属板一起作为天线的地。地的尺寸并没有改变。所以天线的谐振和辐射也不会改变，这样就有效地达到了保持天线的性能不变的同时，有效地降低 了测试区域电磁场的目的。

　　计算机仿真和测试结果

　　这一节我们主要介绍如何用计算机仿真和样品测试的办法来进一步验证我们的设计思想。在计算机仿真中使用的模型和图1、图2一样。

　　首先，我们在计算机中建立了和图1一样的模型，整个模型的外观尺寸定为了100mm×40mm，这个尺寸是典型的手机的实际尺寸，所有的金属材料的特性都使用了铜的特性，天线的谐振点设在了1GHz，仿真模型和仿真结果如图5。

　　模型2是基于模型1建立的。我们使用了一个38mm×2mm的缝隙把印刷电路板一分为二，同时增加了一个40mm×40mm的金属板(如图2)，金属板和印刷电路板之间的间距为4mm。模型和仿真结果见图6。

　　图5和图6 中的图是测试区域的电磁场的强度。比较图5和图6，可以明显地看出图6中的电磁场的值比较低。(请参照表1)

　　为了进一步验证这种技术的有效性，我们制作了验证用的实际模型来验证我们的设计思想。图7是增加了新技术的验证用模型图片。表2是电磁场测试结果。图8 是天线谐振点和发射效率的比较图。上面是谐振点的比较，下面部分是发射效率的比较。从测试结果中可以看出，这种技术和我们想像的一样。比较计算机仿真和测试后发现，不同点是：1)计算机仿真使用了一个频率，而测试中用了两个频率;2)测试频率和仿真频率不完全一致。但是，从测试结果可以看出，这种方案是工作的，而且能同时降低不同频段在测试区域的电磁场的值，也不影响天线的谐振点和发射效率，和我们设想的完全一致。

　　在实际的设计工作中，金属片的外形和尺寸可以微调来达到最佳的效果。

　　从仿真和实测数据中我们可以得出结论这种技术是切实有效的，上面的理论分析是可信的，可以用来指导设计工作。

　　在诺基亚2760种的应用

　　像其他技术的发展一样，新技术的产生是为了满足实际工作的需要，发展这种技术的目的是为了在实际工作中间去解决问题。

　　N2760是一款折叠机，如图9和图10所示。天线和HAC测试区域在手机的两端，两块印刷电路板被柔性印刷电路板连接在一起。

　　图10中红色的部分是金属板，是用来降低测试区域电磁场的。它通过折叠机的连接锁链连到了印刷电路板2上，它的形状是根据具体的手机设计环境优化出来的。表3是实测的结果。

　　图11是实施本技术前后天线在不同的频段的辐射效率的对照图。从图中可以看出，使用新技术前后，天线的谐振点和效率没有明显的变化。但在地频段，使用了新技术后天线的带宽有所降低。带宽的变化是由于金属片的频率选择性引起的。这里不再做详细的论述。

　　结语

　　根据理论分析、计算机仿真、模型测量结果和实际产品的测量结果，我们可以认为这种技术是切实有效的。而且我们成功地应用了这一技术在诺基亚N2760上。这款手机同时通过了FCC HAC M3 标准的认定和美国运营商TMO关于天线辐射功率和灵敏度的要求。